一種多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置及方法
【專利摘要】一種多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置及方法，該裝置包括多功能氣體放電單元和等離子體電弧檢測單元；多功能氣體放電單元包括：封閉室、測試電極、加溫電極、氣體充放與回收器、電磁場發生器和電弧氣吹模塊；等離子體電弧檢測單元包括：傳感器模塊、信號轉換模塊、中央處理器和上位機；該方法為可以根據實驗要求，組合不同的實驗條件進行真空與加壓、一種氣體與多種氣體混合氣體、不同形狀電極放電、常溫與高溫等不同溫度、靜態氣體放電與流動氣體放電及旋轉流動氣體放電、外加電磁場條件下的氣體放電實驗，并可以對不同條件下的實驗所得的電弧性能相關的物理量進行全面采集和分時獨立采集。
【專利說明】—種多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于斷路器技術、氣體放電技術和電弧檢測【技術領域】，具體涉及一種多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]等離子體電弧會在高壓斷路器動作時產生，對斷路器觸頭有燒蝕等影響，為改善電弧對斷路器的影響以及改善斷路器的開關性能，需要對宏觀電弧的理論描述和對控制電弧、熄滅電弧的電弧理論研究，提供科學的理論指導。但以往對等離子體電弧的研究，大多是在某些限定條件下進行研究，而且大多是基礎物理研究，條件比較單一，不能夠全面的對等離子體電弧進行分析，例如在真空條件下的等離子體電弧研究，穩定燃燒的等離子體電弧研究等單一條件下的研究，檢測方法也比較單一，例如穩定燃燒時的電流電壓檢測等檢測方法研究。
[0003]由于電弧產生于復雜的物理環境中，影響條件比較多，單一條件下對電弧的研究不能夠客觀實際的對電弧作出準確的描述，對電弧產生條件，如不同間隙、不同電極形狀、不同氣體介質、氣壓條件、溫度條件、流速條件、電磁場條件等多種條件，由于其條件的相互耦合，關系復雜，還沒有做過全面完整的獨立實驗和耦合實驗與分析。
【發明內容】
[0004]針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置及方法。
[0005]本發明的技術方案:
[0006]一種多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置，包括:
[0007]多功能氣體放電單元和等離子體電弧檢測單元；
[0008]所述多功能氣體放電單元，包括:封閉室、測試電極、加溫電極、氣體充放與回收器、電磁場發生器和電弧氣吹模塊；
[0009]所述封閉室為封閉的圓柱桶形結構，采用透明材料，在封閉室外表面涂敷抑制沿面閃絡的涂料，且在封閉室外表面直視電弧的位置對稱設置多對不加以涂敷的觀察窗口 ；所述封閉室設置有可封閉的進氣口端和可封閉的出氣口端；封閉室內腔近進氣口端位置安裝加溫電極；封閉室內腔近出氣口端位置安裝測試電極；封閉室可封閉的進氣口端與氣體充放與回收器相連通；
[0010]所述電磁場發生器的磁極對和電極對分布置于測試電極四周；
[0011]所述電弧氣吹模塊置于測試電極和加溫電極之間，電弧氣吹模塊為兩種結構形式，第一種結構形式的電弧氣吹模塊包括漏斗形噴口和變速管，變速管的一端接近測試電極，并與測試電極之間留有間隙，變速管的另一端與漏斗形噴口的窄端相連通，漏斗形噴口的寬口靠近加溫電極，并與加溫電極之間留有間隙；第二種結構形式的電弧氣吹模塊包括旋轉通道雙層漏斗形噴口和變速管，變速管的一端接近測試電極，并與測試電極之間留有間隙，變速管的另一端與旋轉通道雙層漏斗形噴口的窄端相連通，旋轉通道雙層漏斗形噴口的寬口靠近加溫電極，并與加溫電極之間留有間隙；所述雙層漏斗形噴口由第一層噴口、第二層噴口和螺旋管道組成；所述第一層噴口寬口與第二層噴口寬口大小一致；所述第一層噴口套裝在第二層噴口內，第一層噴口寬口處和第二層噴口寬口處過盈連接；所述第二層噴口寬口處緊貼桶壁；所述第一層噴口窄端和第二層噴口窄端通過螺旋管連接；
[0012]所述等離子體電弧檢測單元，包括傳感器模塊、信號轉換模塊、中央處理器和上位機；
[0013]所述傳感器模塊包括溫度傳感器、光譜儀、電壓傳感器、電流傳感器、朗謬爾探針、氣體壓力傳感器、電磁場檢測儀和流速傳感器；
[0014]所述溫度傳感器的探頭置于封閉室外，貼近封閉室桶壁處，且位于測試電極和加熱電極間隙上方的中間位置，溫度傳感器的輸出端連接上位機的一個輸入端；
[0015]所述光譜儀的探頭置于封閉室桶壁外，并置于直視測試電極產生電弧位置處，且探頭的平視高度處于測試電極和加熱電極間隙上方的中間位置，光譜儀的輸出端連接上位機的另一個輸入端；
[0016]所述電壓傳感器的輸入端連接測試電極的兩個接線端子上，輸出端連接信號轉換模塊的一個輸入端；
[0017]所述電流傳感器由電壓互感器和采樣電阻組成，采樣電阻串接在測試電極回路電路中，電壓互感器的輸入端連接采樣電阻兩端，輸出端連接信號轉換模塊的一個輸入端；
[0018]所述朗謬爾探針的探針頭置于測試電極的電弧等離子體區域，朗謬爾探針輸出端連接到信號轉換模塊的一個輸入端；
[0019]所述氣體壓力傳感器的輸入端置于封閉室的可封閉的進氣口端，氣體壓力傳感器的輸出端連接信號轉換模塊的一個輸入端；
[0020]所述電磁場檢測儀輸入端置于封閉室桶壁外，并對準電弧產生區域，輸出端連接到信號轉換模塊的一個輸入端；
[0021]所述流速傳感器的探頭置于封閉室內部測試電極上游氣流區域，且流速傳感器的探頭接觸噴口下游氣流，所述流速傳感器的輸出端連接信號轉換模塊的一個輸入端；
[0022]所述信號轉換模塊包括第一電平轉換電路、AD轉換器和第二電平轉換電路；第一電平轉換電路的不同輸入端作為信號轉換模塊的不同輸入端，分別連接電壓傳感器的輸出端、電流傳感器的輸出端、朗謬爾探針的輸出端、壓力傳感器的輸出端、電磁場檢測儀的輸出端和流速傳感器輸出端；第一電平轉換電路的輸出端連接AD轉換器的輸入端，AD轉換器的輸出端連接第二電平轉換電路的輸入端，第二電平轉換電路的輸出端連接中央處理器的輸入端；中央處理器與上位機互相連接；
[0023]所述氣體充放與回收器用于氣體的充放、氣體的回收和封閉室的抽真空處理；
[0024]所述測試電極，用于擊穿氣體產生檢測用電弧；所述加溫電極，用于擊穿氣體產生加溫用電弧，該加溫用電弧用于對封閉室內腔加溫；
[0025]所述溫度傳感器用于檢測測試電極的溫度和加溫電極的溫度；所述光譜儀用于檢測測試電極產生的電弧光譜的強度和波長；所述電壓傳感器用于檢測測試電極產生的電弧的電壓大小；所述電流傳感器用于檢測測試電極產生的電弧的電流大小；所述朗謬爾探針用于檢測朗謬爾探針兩端的電流和電壓；所述氣體壓力傳感器用于檢測封閉室中氣體壓力；所述電磁場檢測儀用于檢測加載在測試電極周圍的電磁場強度；所述流速傳感器用于檢測吹向測試電極的氣吹流速；
[0026]所述溫度傳感器和光譜儀均將檢測數據直接發送至上位機；所述電壓傳感器、電流傳感器、朗謬爾探針、氣體壓力傳感器、電磁場檢測儀和流速傳感器均經過信號轉換模塊將檢測數據發送至中央處理器；
[0027]所述在封閉室外表面涂敷抑制沿面閃絡的涂料，用于防止電弧產生的光源信號受外部干擾，所述在封閉室外表面直視電弧的位置對稱設置多對不加以涂敷的觀察窗口，用于觀察檢測用電弧產生的過程和加溫用電弧產生的過程及電弧檢測過程；
[0028]采用所述的多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置進行多功能氣體放電與等離子體電弧檢測的方法，包括如下步驟:
[0029]步驟1:安裝所需的測試電極；
[0030]步驟2:確定所需的測試電極間距，并根據所需的測試電極間距對測試電極間距進行調節；
[0031 ] 步驟3:對封閉室進行密封處理；
[0032]步驟4:氣體充放與回收器對封閉室進行抽真空；
[0033]步驟5:確定是否需要檢測氣吹條件下放電電弧，是，則執行步驟6，否，則執行步驟7 ;
[0034]步驟6:安裝所需的電弧氣吹模塊，且打開封閉室的可封閉的出氣口端，令封閉室與氣體充放與回收器導通，并轉去執行步驟9 ；
[0035]步驟7:確定是否需要向封閉室內充入氣體，是，則執行步驟8，否，則執行步驟9 ;
[0036]步驟8:氣體充放與回收器向封閉室內充入所需壓強的一種或多種混合氣體；
[0037]步驟9:確定是否需要檢測高溫下放電電弧，是，則執行步驟10，否，則執行步驟13 ；
[0038]步驟10:加溫電極產生加溫用電弧，對封閉室內腔進行加溫；
[0039]步驟11:調整溫度傳感器的探頭位置，使其對準加溫電極對加溫電極的溫度進行測量并將溫度數據傳送至上位機；
[0040]步驟12:上位機根據接收的溫度數據判斷加溫電極的溫度是否滿足要求，是，則執行步驟13，否，則繼續執行步驟12 ；
[0041]步驟13:確定是否需要檢測電磁場作用下的放電電弧，是，則執行步驟14，否，則執行步驟15 ；
[0042]步驟14:電磁場發生器對測試電極加載電磁場；
[0043]步驟15:測試電極產生檢測用電弧；
[0044]步驟16:溫度傳感器、光譜儀、電壓傳感器、電流傳感器、氣體壓力傳感器、電磁場檢測儀、流速傳感器和朗謬爾探針分別對測試電極溫度、電弧光譜、電弧電壓、電弧電流、氣體壓力、電磁場強度、氣體流速和電弧等離子體電子溫度進行檢測，溫度傳感器和光譜儀均將檢測數據傳送上位機，電壓傳感器、電流傳感器、氣體壓力傳感器、電磁場檢測儀、流速傳感器和朗謬爾探針均將檢測數據經過信號轉換模塊傳送至中央處理器；
[0045]步驟17:中央處理器將接收到的檢測數據傳送至上位機；
[0046]有益效果:采用本發明的一種多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置及方法，與現有技術相比，至少具有以下優點:
[0047]1.本發明能很方便的進行真空與加壓、一種氣體與多種氣體混合氣體、不同形狀電極放電、常溫與高溫等不同溫度、靜態氣體放電與流動氣體放電及旋轉流動氣體放電、夕卜加電磁場條件下的氣體放電實驗；
[0048]2.本發明也可以對氣體放電產生的電弧電壓、電弧電流、電弧空間溫度、吹向檢測用電弧的氣體流速、檢測用電弧等離子體電子溫度、檢測用電弧電子密度等物理量同時進行全面采集和分時獨立采集；
[0049]3.本發明設計的兩種結構形式的氣吹模塊中，漏斗形噴口窄端通過層套的螺紋變速管改變粗細，實現改變吹向檢測用電弧的氣體流速，對于第二種結構形式的氣吹模塊中的旋轉通道雙層漏斗形噴口，設計了對吹向檢測用電弧的氣體流速進行加速且使得吹入旋轉通道雙層漏斗形噴口中的氣流旋轉的螺旋管道，以此獲得旋轉的氣流對電弧的影響；
[0050]4.本發明在封閉室外表面涂敷抑制沿面閃絡的涂料，且在封閉室外表面直視電弧的位置對稱設置多對不加以涂敷的觀察窗口，可以起到抑制沿面閃絡和減少外部光源對電弧產生的光源信號的干擾；
[0051]5.本發明可以對實驗條件所需的部件進行靈活組合、安裝與拆卸，滿足不同實驗的需要。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0052]圖1為本發明一種實施實施方式的多功能氣體放電單元的正視結構示意圖；
[0053]圖2為本發明一種實施實施方式的多功能氣體放電單元的俯視結構示意圖；
[0054]圖3為本發明一種實施實施方式的封閉室圓柱桶形外表面展開不意圖；
[0055]圖4為本發明一種實施實施方式的電極電源電路圖；
[0056]圖5為本發明一種實施實施方式的第一種結構形式的電弧氣吹模塊的結構不意圖；
[0057]圖6為本發明一種實施實施方式的第二種結構形式的電弧氣吹模塊的結構示意圖；
[0058]圖7為本發明一種實施實施方式的等離子體電弧檢測單元的結構示意圖；
[0059]圖8為本發明一種實施實施方式的一種多功能氣體放電與等離子體電弧檢測方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0060]下面結合附圖對本發明一種實施方式做進一步說明。
[0061]一種多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置，包括多功能氣體放電單元和等離子體電弧檢測單元；
[0062]所述多功能氣體放電單元，如圖1和圖2所示，包括:封閉室3、氣體充放與回收器16、測試電極6、加溫電極7、電磁場發生器33和電弧氣吹模塊8 ；
[0063]所述封閉室3為封閉的圓柱桶形結構，采用絕熱的有機玻璃材料，壁厚約為10_，封閉室3內腔直徑約為150mm，高度約為240mm ;本實施方式采用電力超長效防污閃涂料(簡稱PRTV防污閃涂料)在封閉室3外表面進行涂敷，以抑制沿面閃絡性能，還可防止電弧產生的光源信號受外部干擾。另外，在封閉室3外表面直視電弧的位置上對稱設置多對不加以涂敷的觀察窗口和多個用于安裝各傳感器探頭的預留端口，如圖3所示的，A2、A4和A6為3個觀察窗口，且以封閉室中心為軸線對稱設置有另外3個觀察窗口，即A1、A3和A5，黑色圓點34、黑色圓點35和黑色圓點36均為用于安裝各傳感器探頭的預留端口。Al和A2、A3和A4、A5和A6這三對觀察窗口，不需要時可用外部介質遮擋住,盡量減少外部光源干擾。
[0064]封閉室3兩端由不銹鋼金屬法蘭2固定，所述封閉室3兩端的不銹鋼金屬法蘭2由封閉室3外部的四根絕緣拉桿I連接固定；在封閉室內部，靠近封閉室3兩側桶壁分別設置兩根懸梁4，兩根懸梁4分別與封閉室3兩端的不銹鋼金屬法蘭2絕緣連接，兩根懸梁4用于懸掛測試電極6、加溫電極7和電弧氣吹模塊8 ;測試電極6的兩個接線端和加溫電極7的兩個接線端分別通過導線鑲嵌在不銹鋼金屬法蘭2上；通過調節懸梁4和測試電極6之間的螺桿、懸梁4和加溫電極6之間的螺桿，可進行Omm到20mm的測試電極兩極板間距及加溫電極兩極板間距調節。封閉室3設置有可封閉的進氣口端和可封閉的出氣口端；封閉室3內腔近進氣口端位置安裝加溫電極7，加溫電極7軸心位置距離進氣口端70mm ;封閉室3內腔近出氣口端位置安裝測試電極6 ;測試電極6軸心位置距離出氣口端70mm，封閉室3的進氣口端通過四通管道13與氣體充放與回收器16相連通；
[0065]本實施方式封閉室3進氣口端法蘭2連接有四通管道13，第一路通過閥門10接真空表18，第二路通過閥門11接氣壓表19，第三路接封閉室3進氣口，第四路通過閥門12和自封閉接口 15與氣體充放與回收器16的一端相連通。
[0066]本實施方式的氣體充放與回收器16用于氣體的充放、氣體的回收和封閉室的抽真空處理；氣體充放與回收器16的另一端與氣瓶17相連通。
[0067]本實施方式的測試電極6，用于擊穿氣體產生檢測用電弧，該檢測用電弧作為本實施方式的電弧檢測對象；
[0068]本實施方式的加溫電極7，用于擊穿氣體產生加溫用電弧，該加溫用電弧用于對本實施方式的封閉室3內腔加溫；
[0069]本實施方式采用的電極電源，分別連接測試電極6和加溫電極7，分別為測試電極6和加溫電極7供電；本實施方式的電極電源，如圖4所示，由變壓器進行升壓轉換，回路中串接水電阻，起緩沖作用，以此防止電極間擊穿電弧時產生的瞬間峰值對回路中各設備的損傷，回路中由三種供電回路，由按鍵進行選擇。上兩路為直流電源部分，第三路為交流電源部分，三路電源分別通過控制開關開關kl、開關k2、開關k3、開關k4、開關k5選擇一路直流電源為加溫電極7供電，一路直流電源或一路交流電源為測試電極6供電。三路標有XT1_INPUT1和XT1_INPUT2連接圖3氣體封閉室對應名稱端。電極電源的切換通過操作開關kl、開關k2、開關k3、開關k4、開關k5實施，其中開關kl和開關k2負責加溫電極7供電回路，開關k3和開關k4負責直流放電回路，開關k5負責交流放電回路。
[0070]本實施方式的電磁場發生器33的磁極對和電極對分布置于測試電極四周，用于在測試電極周圍產生作用于檢測用電弧的電磁場；
[0071]本實施方式的電弧氣吹模塊8置于測試電極6和加溫電極7之間，電弧氣吹模塊為兩種結構形式，第一種結構形式的電弧氣吹模塊由漏斗形噴口和變速管37構成，如圖5所示，漏斗形噴口窄端有內螺紋，方便與變速管37的一端相連通，變速管37的一端接近測試電極6，并與測試電極6之間留有5-10mm間隙，保證對測試電極6的氣吹速度；變速管37的另一端與漏斗形噴口的窄端相連通，漏斗形噴口的寬口靠近加溫電極連桿，距離加溫電極連Imm距離；第一種結構形式的電弧氣吹模塊中漏斗形噴口寬口外直徑為150mm,漏斗形噴口窄端直徑為20_，主要用于將充入封閉室中的氣流，通過該噴口集中吹向測試電極電弧，提高充入封閉室的氣流利用率，也方便通過已知的噴口大小，計算流速的大小。
[0072]第二種結構形式的電弧氣吹模塊由旋轉通道雙層漏斗形噴口和變速管37構成，如圖6所示，變速管37的一端接近測試電極6，并與測試電極6之間留有5-10mm間隙，變速管37的另一端與旋轉通道雙層漏斗形噴口的窄端相連通，旋轉通道雙層漏斗形噴口的寬口靠近加溫電極7連桿，距離加溫電極7連桿Imm距離；所述雙層漏斗形噴口由第一層噴口 38、第二層噴口 40和螺旋管道39組成；所述第一層噴口 38寬口與第二層噴口 40寬口大小一致；所述第一層噴口 38套裝在第二層噴口 40內，第一層噴口 38寬處和第二層噴口40寬口處通過擠壓力過盈配合；所述第二層噴口 40寬口處緊貼桶壁，防止漏氣；所述第一層噴口 38窄端和第二層噴口 40窄端通過螺旋管39連接；螺旋管39的粗細可根據要求選擇，兩層噴口窄端間距離為5厘米到15厘米可調，通過改變螺旋管39的螺旋斜率，即改變螺旋管39的螺距來實現改變吹向測試電極6的氣流旋轉速度和氣流旋轉角度。本實施方式中第二種結構形式的電弧氣吹模塊中旋轉通道雙層漏斗形噴口寬口邊外直徑為150_，窄端直徑20mm，窄端有內螺紋；所述第一層噴口 39用于收集氣體充放與回收器16充壓產生的氣流；第一層噴口 38敞口夾角大于150度，第二層噴口 40敞口夾角小于90度；
[0073]本實施方式中在懸梁4上安裝電弧氣吹模塊8，在封閉室3進氣口氣體流速一定的情況下，通過調節噴口窄端變速管37的粗細，調節吹向電弧的氣體流速。調節窄端噴口內部粗細的方法是通過不同尺寸變速管37的疊加嵌套安裝實現。變速管37為一套連續尺寸的變速管組合，包括外徑20mm,內徑16mm變速管；夕卜徑16mm,內徑12mm變速管；夕卜徑12mm,內徑8mm變速管；夕卜徑8mm,內徑4mm變速管；夕卜徑20mm,內徑14mm變速管；夕卜徑14mm,內徑IOmm變速管；外徑IOmm,內徑6mm變速管；外徑6mm,內徑2mm變速管組合。變速管內管壁和外管壁上都刻有統一規格的螺紋，可進行嵌套組合，由此改變吹向測試電極的氣體流速。
[0074]等離子體電弧檢測單元，如圖7所示，包括傳感器模塊、信號轉換模塊、中央處理器和上位機32 ；
[0075]傳感器模塊包括溫度傳感器26、光譜儀24、電壓傳感器22、電流傳感器、朗謬爾探針28、氣體壓力傳感器19、電磁場檢測儀30和流速傳感器20 ；
[0076]溫度傳感器26的探頭27置于封閉室3外，貼近封閉室3桶壁處，距離桶壁5mm處，方便溫度傳感器26的探頭27旋轉測試角度，且位于測試電極6和加熱電極7間隙上方的中間位置，探頭27平行于測試電極6兩極板中心位置和加溫電極7兩極板中心位置，并放置在兩電極對連桿連線的中心垂直線上，兩電極對連桿連線的中心垂直線交點與兩對電極連桿軸線位置距離50mm，溫度傳感器26的輸出端連接上位機32的一個輸入端；所述溫度傳感器26用于檢測測試電極6的溫度和加溫電極7的溫度；本實施方式溫度傳感器26采用的是型號為IR1-2500D的在線式激光瞄準紅外測溫儀，其提供三線制4 一 20mA電流輸出，帶激光瞄準功能，更好地瞄準被測物，其基本性能包括:保護IP65 (NEMA-4)，工作溫度為O —60°C，存儲溫度為-20 - 80°C，相對濕度為10 - 90% (不結露)，外殼材料是銅鍍烙，電纜長度3m，或定制。電氣參數有:工作電源為12 — 24VDC，最大負載為750歐姆(24VDC)，輸出信號4-20mA，測量參數包括:光譜范圍lum，溫度范圍700-2500°C，光學分辨率100:1，響應時間300ms(95% )，測溫精度±1% (環境溫度:23°C ±5°C )，重復精度±0.5% (環境溫度:23°C ±5°C )。
[0077]所述光譜儀24用于檢測測試電極6產生的電弧光譜的強度和波長；本實施方式中光譜儀24的探頭25置于封閉室3桶壁外，并置于測試電極6產生電弧位置處，且探頭25的平視高度處于測試電極6間隙的中間位置，探頭25與封閉室3桶壁距離5mm，光譜儀24的輸出端連接上位機32的另一個輸入端；本實施方式光譜儀24選用的是型號為AvaSpec-ULS2048-8-USB2的光纖光譜儀，配有型號為FC8-UVIR200-2-ME的光纖和型號為C0L-UV/VIS的準直透鏡，其波長范圍是200-1070nm，分辨率是0.09-0.15nm，探測器類型是CCD線陣，8*2048像素，信噪比是200:1，A/D轉換器是16位，2MHz，積分時間是1.1ms至lOmin，數據傳輸速度為1.8毫秒/每次采樣/每個通道。光纖為I分8光纖束，2米長，鎧甲封裝，準直透鏡為8.4mm焦距。
[0078]所述電壓傳感器22的輸入端連接測試電極6的兩個接線端子上，輸出端連接信號轉換模塊23的一個輸入端；所述電壓傳感器22用于檢測測試電極6產生的電弧的電壓；本實施方式的電壓傳感器22采用的是型號為SGB-150C的交直流數字高壓表，其參數包括，分壓器分壓比:1000:1，分壓器電壓等級:AC:150kV DC:150kV，顯示表量程:Low:0-20kVHigh:0_150kV，交流測量方式:真有效值測量，精度:AC:1.0% DC:0.5%，絕緣介質:美國杜邦干式介質材料。
[0079]所述電流傳感器用于檢測測試電極6產生的電弧的電流；所述電流傳感器由電壓互感器21和采樣電阻組成，采樣電阻串接在測試電極6回路電路中，電壓互感器21的輸入端連接采樣電阻兩端，輸出端連接信號轉換模塊23的一個輸入端；本實施方式的采樣電阻為10ΚΩ，使用型號為JDZF7-10GYW1的電壓互感器21采集采樣電阻電壓，推算電弧電流值。電壓互感器21為單相環氧樹脂澆注，適用于額定頻率50Hz或60Hz、額定電壓3kV，6kV, IOkV及以下的電力系統中，作電能計量、電壓監控和繼電保護用，符合IEC60044-2及GB1207《電壓互感器》標準。額定電壓比(kV)為10/0.1/0.1。
[0080]所述朗謬爾探針28的探針頭29置于測試電極6的電弧等離子體區域，朗謬爾探針28輸出端包括探針電壓輸出和探針電流輸出，信號精度要求較高的探針電流輸出連接到信號轉換模塊23的一個輸入端，探針電壓輸出連接到DSP28335的ADCINA0端；所述朗謬爾探針28置于測試電極6的電弧等離子體區域，用于檢測朗謬爾探針28兩端的電流和電壓；本實施方式的朗繆爾探針28由朗繆爾雙探針，朗繆爾探針封裝套管，霍爾電壓傳感器，霍爾電流傳感器和掃描電源組成。
[0081]所述氣體壓力傳感器19的輸入端置于封閉室3的可封閉的進氣口端,氣體壓力傳感器19的輸出端連接信號轉換模塊23的一個輸入端；本實施方式中氣體壓力傳感器19用于檢測氣體壓力；本實施方式的氣體壓力傳感器19采用型號為DPG4000-100的氣體壓力傳感器，量程為O-1OOpsi，可達0.6895Mpa。
[0082]所述電磁場檢測儀30的探頭31置于封閉室3桶壁外，并對準電弧產生區域，測試該區域產生的電磁場強度，輸出端連接到信號轉換模塊23的一個輸入端；所述電磁場檢測儀30用于檢測電磁場強度；本實施方式的電磁場檢測儀30選用的是型號為SQ-3604的工頻電磁場強度測試儀，技術參數包括，頻率范圍:30-2000Hz，頻率響應:±0.5dB(50-1000Hz)，±2.0dB(30-2000Hz),電場測量范圍:lV/m - 200kV/m，磁場測量范圍:0.2mG_20gauss。
[0083]所述流速傳感器20的輸入端置于封閉室3內部測試電極6上游氣流區域，并保證探頭接觸噴口下游氣流，探頭距離離變速管2mm，所述流速傳感器20的輸出端連接信號轉換模塊的一個輸入端；所述流速傳感器20用于檢測氣吹流速；本實施方式流速傳感器20選用的是型號為SQ-6332D的風速儀，測試范圍:0.1?50m/s，測試精度:讀數的±3%±0.lm/s，模擬輸出為電流DC4?20mA (450w)，電壓DCO?5v或O?I V，配有I根5m的探頭電纜。
[0084]所述溫度傳感器26和光譜儀24均將檢測數據直接發送至上位機32 ；
[0085]所述電壓傳感器22、電流傳感器、朗謬爾探針28、氣體壓力傳感器19、電磁場檢測儀30和流速傳感器20均經過信號轉換模塊23將檢測數據發送至中央處理器；
[0086]所述信號轉換模塊23包括第一電平轉換電路、AD轉換器和第二電平轉換電路;第一電平轉換電路的不同輸入端分別連接電壓傳感器22的輸出端、電流傳感器的輸出端、朗謬爾探針28的輸出端、氣體壓力傳感器19的輸出端、電磁場檢測儀30的輸出端和流速傳感器20輸出端；第一電平轉換電路的輸出端連接AD轉換器的輸入端，AD轉換器的輸出端連接第二電平轉換電路的輸入端，第二電平轉換電路的輸出端連接中央處理器的輸入端；中央處理器與上位機32互相連接；
[0087]本實施方式的中央處理器采用型號為TMS320F28335的DSP，AD轉換器選用型號為ADS8364的AD轉換器,可同時米集六路模擬信號量,分別為電壓傳感器22輸出模擬信號，電流傳感器輸出模擬信號，氣體壓力傳感器19輸出模擬信號，流速傳感器20輸出模擬信號，朗繆爾探針28的電流和電壓傳感器輸出模擬信號，電磁場檢測儀30電磁場輸出模擬信號，由于朗繆爾探針電壓值較大，信號明顯，信噪比較好，可適當降低采集精度，使朗繆爾探針電壓傳感器輸出模擬信號直接上傳DSP模擬端，進行模數轉換。
[0088]本實施方式中采用所述的多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置進行多功能氣體放電與等離子體電弧檢測的方法，如圖8所示，包括如下步驟:
[0089]步驟1:安裝所需的測試電極6 ；
[0090]本實施方式首先根據實驗要求對封閉室3中的測試電極6進行更換，選擇所需的測試電極，通過螺紋連接到電極連桿5，電極連桿5通過螺紋和螺母連接到懸梁4上。
[0091]步驟2:確定所需的測試電極間距，并根據所需的測試電極間距對測試電極間距進行調節；
[0092]本實施方式通過調節測試電極6與電極連桿5間螺紋調整電極間距，并使用塞尺測量測試電極間間隙確定電極間距大小。
[0093]步驟3:對封閉室3進行密封處理；
[0094]本實施方式中測試電極6安裝完成后，檢查其他部件安裝是否有松動或位置誤差等現象，檢查的對象包括，已安裝完成的接線端子，漏斗形噴口 8，閥門9-12的開關狀態，電磁場發生器的磁極N極、磁極S極、電極正極和電極負極，流速傳感器20，朗繆爾探針28，檢查確認已安裝無誤后，將法蘭2端口 U形槽內墊上U形墊圈與封閉室3連接，用絕緣拉桿I旋緊兩端法蘭2，封閉好封閉室3。
[0095]步驟4:氣體充放與回收器16對封閉室3進行抽真空；
[0096]本實施方式首先關閉閥門9，10，11，打開閥門12，氣體充放與回收器16通過自封閉接口 15和四通管道13與封閉室3相連通；啟動氣體充放與回收器16，開始抽真空操作，然后打開閥門12，啟用真空表18，到達一定真空度后，關閉閥門12，停止氣體充放與回收器16。
[0097]步驟5:確定是否需要檢測氣吹條件下放電電弧，是，則執行步驟6，否，則執行步驟7 ;
[0098]步驟6:安裝所需結構形式的電弧氣吹模塊8，且打開封閉室3的可封閉的出氣口端，令封閉室3與氣體充放與回收器16導通，并轉去執行步驟9 ；
[0099]本實施方式中，關閉閥門12，打開閥門9，將封閉室3充入環境氣體，根據需要選擇第一種結構形式的電弧氣吹模塊8或者第二種結構形式的電弧氣吹模塊8，并安裝于封閉室3內部，重新密封好后，打開閥門12。
[0100]步驟7:確定是否需要向封閉室3內充入氣體，是，則執行步驟8，否，則執行步驟9 ；
[0101]步驟8:氣體充放與回收器16向封閉室3內充入所需壓強的一種或多種混合氣體；
[0102]氣體充放與回收器16與裝有氣體的氣瓶17連接，氣瓶17中根據實驗要求充入一定氣體；封閉室3中可充入除氣瓶17中的單一氣體介質外，還可以通過一定操作充入一定比例的混合氣體，如氮氣和氬氣混合氣體，氮氣和六氟化硫氣體混合氣體，氬氣和六氟化硫氣體混合氣體，以及氮氣、氬氣和六氟化硫氣體混合氣體等；以氮氣、氬氣和六氟化硫三種氣體混合氣體為例操作如下，由于此時封閉室3中已經處于真空狀態，需要啟動氣體充放與回收器16將管路中殘存的氣體抽真空，然后接入裝有氬氣的氣瓶17，打開閥門10和12，可看到真空表18顯示的真空度，然后關閉閥門12，啟動氣體充放與回收器16向封閉室3充入氬氣，打開閥門12，通過氣壓表19查看氣壓狀態，氣壓表19通過數據輸出端口將數據上傳給信號轉換模塊23 ;如果充入氬氣達到要求，則關閉閥門12 ;啟動氣體充放與回收器16將管路中殘存的氣體抽真空，然后接入裝有氮氣的氣瓶17，打開閥門12，向封閉室3充入氮氣，氣壓表19的數據上傳給信號轉換模塊23，如果充入氮氣達到要求，則關閉閥門12，啟動氣體充放與回收器16將管路中殘存的氣體抽真空，然后接入裝有六氟化硫氣體的氣瓶17，打開閥門12，向封閉室3充入六氟化硫氣體，通過氣壓表19查看氣壓狀態，氣壓表19的數據通過數據輸出端口上傳給信號轉換模塊23，如果充入氬氣達到要求，則關閉閥門12 ；
[0103]步驟9:確定是否需要檢測高溫下放電電弧，是，則執行步驟10，否，則執行步驟13 ；
[0104]步驟10:加溫電極7產生加溫用電弧，對封閉室3內腔進行加溫；
[0105]本實施方式啟動電極電源向加溫電極7供電，加溫電極7產生電弧對封閉室3內腔進行加溫，通過調節加載在加溫電極7兩端的電極電源的電壓大小控制溫度大小。
[0106]步驟11:調整溫度傳感器26的探頭27的位置，使其對準加溫電極7對加溫電極7的溫度進行測量并將溫度數據傳送至上位機；
[0107]本實施方式調整紅外測溫儀26的探頭27的位置，通過觀察窗口 A4對準加溫電極
7,并對加溫電極7溫度進行測量并將測的溫度數據傳送至上位機32。
[0108]步驟12:上位機32根據接收的溫度數據判斷加溫電極7的溫度是否滿足要求，是，則執行步驟13，否，則繼續執行步驟12 ；[0109]本實施方式上位機32根據接收的溫度數據判斷加溫電極7是否滿足要求，不滿足，溫度低則繼續升高電極電源電壓，增加加溫電弧能量以提高溫度，溫度高則降低電源電壓，降低加溫電弧能量以降低溫度，紅外測溫儀26繼續檢測加溫電極7的溫度并將測的溫度數據傳送至上位機32。
[0110]步驟13:確定是否需要檢測電磁場作用下的放電電弧，是，則執行步驟14，否，則執行步驟15 ；
[0111]步驟14:電磁場發生器33對測試電極6加載電磁場；
[0112]啟動電磁場電源14，電磁場發生器33產生電磁場，
[0113]步驟15:測試電極6產生檢測用電弧；
[0114]本實施方式中啟動電極電源向測試電極6供電，產生電弧，
[0115]步驟16:溫度傳感器26、光譜儀24、電壓傳感器22、電流傳感器、氣體壓力傳感器19、電磁場檢測儀30、流速傳感器20和朗謬爾探針28分別對測試電極溫度、電弧光譜、電弧電壓、電弧電流、氣體壓力、電磁場強度、氣體流速和電弧等離子體電子溫度進行檢測，溫度傳感器26和光譜儀24均將檢測數據傳送上位機32，電壓傳感器22、電流傳感器、氣體壓力傳感器19、電磁場檢測儀30、流速傳感器20和朗謬爾探針28均將檢測數據經過信號轉換模塊23傳送至中央處理單元；
[0116]步驟17:中央處理單元將接收到的檢測數據傳送至上位機32。
【權利要求】
1.一種多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置，其特征在于:包括: 多功能氣體放電單元和等離子體電弧檢測單元； 所述多功能氣體放電單元，包括:封閉室、測試電極、加溫電極、氣體充放與回收器、電磁場發生器和電弧氣吹模塊； 所述封閉室為封閉的圓柱桶形結構，采用透明材料，在封閉室外表面涂敷抑制沿面閃絡的涂料，且在封閉室外表面直視電弧的位置對稱設置多對不加以涂敷的觀察窗口 ；所述封閉室設置有可封閉的進氣口端和可封閉的出氣口端；封閉室內腔近進氣口端位置安裝加溫電極；封閉室內腔近出氣口端位置安裝測試電極；封閉室可封閉的進氣口端與氣體充放與回收器相連通； 所述電磁場發生器的磁極對和電極對分布置于測試電極四周； 所述電弧氣吹模塊置于測試電極和加溫電極之間，電弧氣吹模塊為兩種結構形式，第一種結構形式的電弧氣吹模塊包括漏斗形噴口和變速管，變速管的一端接近測試電極，并與測試電極之間留有間隙，變速管的另一端與漏斗形噴口的窄端相連通，漏斗形噴口的寬口靠近加溫電極，并與加溫電極之間留有間隙；第二種結構形式的電弧氣吹模塊包括旋轉通道雙層漏斗形噴口和變速管，變速管的一端接近測試電極，并與測試電極之間留有間隙，變速管的另一端與旋轉通道雙層漏斗形噴口的窄端相連通，旋轉通道雙層漏斗形噴口的寬口靠近加溫電極，并與加溫電極之間留有間隙；所述雙層漏斗形噴口由第一層噴口、第二層噴口和螺旋管道組成；所述第一層噴口寬口與第二層噴口寬口大小一致；所述第一層噴口套裝在第二層噴口內，第一層噴口寬口處和第二層噴口寬口處過盈連接；所述第二層噴口寬口處緊貼桶壁；所述第一層噴口窄端和第二層噴口窄端通過螺旋管連接； 所述等離子體電弧檢測單元，包括傳感器模塊、信號轉換模塊、中央處理器和上位機；所述傳感器模塊包括溫度傳感器、光譜儀、電壓傳感器、電流傳感器、朗謬爾探針、氣體壓力傳感器、電磁場檢測儀和流速傳感器； 所述溫度傳感器的探頭置于封閉室外，貼近封閉室桶壁處，且位于測試電極和加熱電極間隙上方的中間位置，溫度傳感器的輸出端連接上位機的一個輸入端； 所述光譜儀的探頭置于封閉室桶壁外，并置于直視測試電極產生電弧位置處，且探頭的平視高度處于測試電極和加熱電極間隙上方的中間位置，光譜儀的輸出端連接上位機的另一個輸入端； 所述電壓傳感器的輸入端連接測試電極的兩個接線端子上，輸出端連接信號轉換模塊的一個輸入端； 所述電流傳感器由電壓互感器和采樣電阻組成，采樣電阻串接在測試電極回路電路中，電壓互感器的輸入端連接米樣電阻兩端，輸出端連接信號轉換模塊的一個輸入端； 所述朗謬爾探針的探針頭置于測試電極的電弧等離子體區域，朗謬爾探針輸出端連接到信號轉換模塊的一個輸入端； 所述氣體壓力傳感器的輸入端置于封閉室的可封閉的進氣口端，氣體壓力傳感器的輸出端連接信號轉換模塊的一個輸入端； 所述電磁場檢測儀輸入端置于封閉室桶壁外，并對準電弧產生區域，輸出端連接到信號轉換模塊的一個輸入端； 所述流速傳感器的探頭置于封閉室內部測試電極上游氣流區域，且流速傳感器的探頭接觸噴口下游氣流，所述流速傳感器的輸出端連接信號轉換模塊的一個輸入端； 所述信號轉換模塊包括第一電平轉換電路、AD轉換器和第二電平轉換電路；第一電平轉換電路的不同輸入端作為信號轉換模塊的不同輸入端，分別連接電壓傳感器的輸出端、電流傳感器的輸出端、朗謬爾探針的輸出端、壓力傳感器的輸出端、電磁場檢測儀的輸出端和流速傳感器輸出端；第一電平轉換電路的輸出端連接AD轉換器的輸入端,AD轉換器的輸出端連接第二電平轉換電路的輸入端，第二電平轉換電路的輸出端連接中央處理器的輸入端；中央處理器與上位機互相連接。
2.根據權利要求1所述的多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置，其特征在于: 所述氣體充放與回收器用于氣體的充放、氣體的回收和封閉室的抽真空處理。
3.根據權利要求1所述的多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置，其特征在于: 所述測試電極，用于擊穿氣體產生檢測用電弧；所述加溫電極，用于擊穿氣體產生加溫用電弧，該加溫用電弧用于對封閉室內腔加溫。
4.根據權利要求1所述的多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置，其特征在于: 所述溫度傳感器用于檢測測試電極的溫度和加溫電極的溫度；所述光譜儀用于檢測測試電極產生的電弧光譜的強度和波長；所述電壓傳感器用于檢測測試電極產生的電弧的電壓大小；所述電流傳感器用于檢測測試電極產生的電弧的電流大小；所述朗謬爾探針用于檢測朗謬爾探針兩端的電流和電壓；所述氣體壓力傳感器用于檢測封閉室中氣體壓力；所述電磁場檢測儀用于檢 測加載在測試電極周圍的電磁場強度；所述流速傳感器用于檢測吹向測試電極的氣吹流速。
5.根據權利要求1所述的多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置，其特征在于: 所述溫度傳感器和光譜儀均將檢測數據直接發送至上位機；所述電壓傳感器、電流傳感器、朗謬爾探針、氣體壓力傳感器、電磁場檢測儀和流速傳感器均經過信號轉換模塊將檢測數據發送至中央處理器。
6.根據權利要求1所述的多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置，其特征在于: 所述在封閉室外表面涂敷抑制沿面閃絡的涂料，用于防止電弧產生的光源信號受外部干擾，所述在封閉室外表面直視電弧的位置對稱設置多對不加以涂敷的觀察窗口，用于觀察電弧產生的過程及電弧檢測過程。
7.采用權利要求1所述的多功能氣體放電與等離子體電弧檢測裝置進行多功能氣體放電與等離子體電弧檢測的方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:安裝所需的測試電極； 步驟2:確定所需的測試電極間距，并根據所需的測試電極間距對測試電極間距進行調節； 步驟3:對封閉室進行密封處理； 步驟4:氣體充放與回收器對封閉室進行抽真空； 步驟5:確定是否需要檢測氣吹條件下放電電弧，是，則執行步驟6，否，則執行步驟7 ;步驟6:安裝所需結構形式的電弧氣吹模塊，且打開封閉室的可封閉的出氣口端，令封閉室與氣體充放與回收器導通，并轉去執行步驟9 ; 步驟7:確定是否需要向封閉室內充入氣體，是，則執行步驟8，否，則執行步驟9 ; 步驟8:氣體充放與回收器向封閉室內充入所需壓強的一種或多種混合氣體；步驟9:確定是否需要檢測高溫下放電電弧，是，則執行步驟10，否，則執行步驟13 ； 步驟10:加溫電極產生加溫用電弧，對封閉室內腔進行加溫； 步驟11:調整溫度傳感器的探頭位置，使其對準加溫電極對加溫電極的溫度進行測量并將溫度數據傳送至上位機； 步驟12:上位機根據接收的溫度數據判斷加溫電極的溫度是否滿足要求，是，則執行步驟13，否，則繼續執行步驟12 ； 步驟13:確定是否需要檢測電磁場作用下的放電電弧，是，則執行步驟14，否，則執行步驟15 ； 步驟14:電磁場發生器對測試電極加載電磁場； 步驟15:測試電極產生檢測用電弧； 步驟16:溫度傳感器、光譜儀、電壓傳感器、電流傳感器、氣體壓力傳感器、電磁場檢測儀、流速傳感器和朗謬爾探針分別對測試電極溫度、電弧光譜、電弧電壓、電弧電流、氣體壓力、電磁場強度、氣體流速和電弧等離子體電子溫度進行檢測，同時，溫度傳感器和光譜儀均將檢測數據傳送上位機，電壓傳感器、電流傳感器、氣體壓力傳感器、電磁場檢測儀、流速傳感器和朗謬爾探針均將檢測數據經過信號轉換模塊傳送至中央處理器； 步驟17:中央處理 器將接收到的檢測數據傳送至上位機。
【文檔編號】G01R31/12GK103941167SQ201410165966
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】楊壯壯, 徐建源, 單長旺, 李鑫濤, 林莘, 夏亞龍, 張明理 申請人:沈陽工業大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
